王榮東，杜海鷗，王國(guó)芝，樸 君，徐永興

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究所，北京 102413)

鈉冷快堆使用液態(tài)金屬鈉作為冷卻工質(zhì)，金屬鈉化學(xué)性質(zhì)活潑，高溫的液態(tài)鈉和空氣接觸后會(huì)發(fā)生燃燒，生成一種濃密的白色煙霧——鈉氣溶膠。鈉氣溶膠是一種平均粒徑為2～20 μm，具有腐蝕性和高黏附性的顆粒[1]。當(dāng)發(fā)生事故導(dǎo)致管道或設(shè)備破損，高溫的液態(tài)鈉有可能泄漏到空氣中發(fā)生燃燒，生成大量有害的鈉氣溶膠。因此需使用除塵凈化裝置對(duì)鈉氣溶膠進(jìn)行去除凈化，以減少排放到環(huán)境的放射性劑量和鈉氣溶膠濃度。快堆上用于去除鈉氣溶膠的主要設(shè)備包括靜電除塵器、旋風(fēng)除塵器、洗滌式除塵器、過(guò)濾式除塵器等。靜電除塵器具有除去鈉氣溶膠的能力，但在快堆上的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少。這是由于靜電除塵器能耗大、運(yùn)行維護(hù)過(guò)程復(fù)雜、啟動(dòng)可靠性不高，且尚缺乏有效的將鈉氣溶膠從電極上除去的方法[2-4]。洗滌式除塵器是使含塵氣體與水或其他液體接觸，利用水滴和塵粒的慣性碰撞等作用將塵粒從氣流中分離出來(lái)的設(shè)備。濕式除塵設(shè)備在快堆上的事故排煙系統(tǒng)上的應(yīng)用較廣，其優(yōu)點(diǎn)是除塵效率高，氣溶膠容量大，但是具有單級(jí)濕式除塵器除塵效率不高的缺點(diǎn)，需多級(jí)串聯(lián)使用，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和控制難度[5]。中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)采用沖激式水浴除塵器去除鈉氣溶膠，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沖激式水浴除塵器的除塵效率在30%～90%之間[6]。過(guò)濾式除塵器是通過(guò)使含塵氣體過(guò)濾，以除去其中粉塵的裝置。該除塵器除塵效率很高，塵粒在0.1 μm以上除塵效率可達(dá)99%以上。但是過(guò)濾除塵單元的除塵容量較小，占用的體積龐大且費(fèi)用昂貴。因此在快堆事故排煙系統(tǒng)中一般作為將鈉氣溶膠和大氣環(huán)境隔離的最后一道屏障，用于去除經(jīng)過(guò)前級(jí)除塵后剩下的極少部分鈉氣溶膠[7-8]。

旋風(fēng)除塵器利用旋轉(zhuǎn)氣流產(chǎn)生的離心力使塵粒從氣流中分離，用來(lái)分離粒徑大于1～10 μm以上的顆粒物，對(duì)于捕集、分離5～10 μm粉塵的效率較高，一般可達(dá)85%。旋風(fēng)分離器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作和維護(hù)簡(jiǎn)單、動(dòng)力消耗不大、操作彈性大、性能穩(wěn)定、不受含塵氣體的濃度和溫度影響等特點(diǎn)[9]。由于缺乏可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，要在快堆事故排煙系統(tǒng)上使用還需經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研發(fā)和驗(yàn)證。本文通過(guò)設(shè)計(jì)一套由旋風(fēng)除塵器和過(guò)濾式除塵器組合構(gòu)成的鈉氣溶膠去除系統(tǒng)，驗(yàn)證該系統(tǒng)在工程應(yīng)用的可行性。

1 旋風(fēng)組鈉氣溶膠去除系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

旋風(fēng)組鈉氣溶膠去除系統(tǒng)采用干式氣固分離路線，采用多筒并聯(lián)旋風(fēng)分離器后接高效過(guò)濾器的組合式除塵設(shè)計(jì)方案。當(dāng)事故發(fā)生后，只需將事故環(huán)境外的引風(fēng)機(jī)開(kāi)啟并調(diào)到一定流量，除塵系統(tǒng)將自動(dòng)運(yùn)行并進(jìn)行鈉氣溶膠顆粒的去除。鈉氣溶膠通過(guò)管道進(jìn)入旋風(fēng)分離器入口，經(jīng)旋風(fēng)分離器氣固分離后，大部分鈉氣溶膠顆粒被捕集，未被捕集的少量細(xì)顆粒將隨氣流進(jìn)入過(guò)濾除塵器，在過(guò)濾除塵器中被高效攔截捕集。最終，滿足安全環(huán)保排放要求的凈化后的氣體將排入大氣，整個(gè)過(guò)程操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速。

1.2 旋風(fēng)分離器和過(guò)濾除塵器樣機(jī)設(shè)計(jì)

旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)形式選用PV型高效旋風(fēng)分離器，并結(jié)合快堆鈉火氣溶膠去除工況特點(diǎn)作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。PV型旋風(fēng)分離器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靠尺寸優(yōu)化來(lái)獲得高效率的新型高效旋風(fēng)分離器，在操作彈性和穩(wěn)定性方面優(yōu)勢(shì)明顯[10]。迄今旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)還沒(méi)有固定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但從大量的工程實(shí)踐總結(jié)得出的結(jié)論為設(shè)計(jì)者提供了經(jīng)驗(yàn)的尺寸比例和合適的參數(shù)。用于去除鈉氣溶膠的事故排煙系統(tǒng)是處理鈉火事故的應(yīng)急裝置，采用非在線脈沖反吹再生的過(guò)濾器，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)增加可靠性和安全性。考慮到過(guò)濾器需有較大的納污容塵量和較高的過(guò)濾分離效率和低壓降，最終設(shè)計(jì)選用單層排列方式的高溫多管過(guò)濾器。圖1為本系統(tǒng)選用的旋風(fēng)分離器和過(guò)濾除塵器結(jié)構(gòu)及示意圖。

a——旋風(fēng)分離器；b——過(guò)濾除塵器

2 旋風(fēng)組鈉氣溶膠去除系統(tǒng)鈉火環(huán)境試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

為了考察旋風(fēng)組鈉氣溶膠去除系統(tǒng)及主要設(shè)備在真實(shí)鈉火環(huán)境下的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)并建造了模擬真實(shí)鈉火環(huán)境的工藝間和試驗(yàn)回路，通過(guò)試驗(yàn)研究金屬鈉燃燒過(guò)程中鈉氣溶膠濃度變化、粒徑分布、壓降、去除效率等主要參數(shù)。鈉氣溶膠濃度及粒徑分布通過(guò)Welas-3000粒度儀測(cè)量，該儀器可對(duì)0.18～40 μm范圍內(nèi)的顆粒進(jìn)行精確測(cè)量，可輸出粒徑分布和鈉氣溶膠濃度。圖2為試驗(yàn)裝置示意圖。其中，鈉火工藝間溫度測(cè)點(diǎn)在距燃燒盤正上方2 m位置，實(shí)驗(yàn)中燃燒的金屬鈉為10 kg，模擬的鈉火工藝間有效容積約為45 m3。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

1)試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)開(kāi)始前將金屬鈉用濾網(wǎng)過(guò)濾，去除煤油，并將金屬鈉放入燃燒盤中，利用噴槍進(jìn)行點(diǎn)火。鈉燃燒22 min后，關(guān)閉工藝間進(jìn)氣閥；鈉燃燒46 min后，打開(kāi)工藝間進(jìn)氣閥，從進(jìn)氣口可觀察到工藝間內(nèi)已無(wú)火光；第49 min時(shí)，打開(kāi)工藝間房門，可看到內(nèi)部白色煙霧濃烈；第60 min，打開(kāi)房門，將第2組金屬鈉倒入工藝間燃燒盤中；第87 min，打開(kāi)房門，同樣可看到工藝間內(nèi)部煙霧濃烈；第91 min，打開(kāi)工藝間進(jìn)氣閥，進(jìn)入工藝間內(nèi)用鏟子翻鏟金屬鈉，依然可看到有較多煙霧，燃燒盤內(nèi)可見(jiàn)少量火星；第116 min，繼續(xù)進(jìn)入工藝間翻鏟金屬鈉，此時(shí)燃燒盤已無(wú)明火，說(shuō)明金屬鈉已完全燃燒；第130 min，房間內(nèi)基本無(wú)煙霧。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，未觀察到有鈉氣溶膠煙霧從工藝間泄漏。試驗(yàn)結(jié)束后，整理試驗(yàn)儀器和過(guò)濾器濾芯，發(fā)現(xiàn)皮托管、旋風(fēng)分離器儲(chǔ)料罐和濾芯上粘有白色顆粒，遇空氣后迅速潮解(圖3)。

圖3 鈉氣溶膠顆粒

2)工藝間內(nèi)鈉氣溶膠濃度

在第2組鈉已燃燒37 min時(shí)(即鈉火試驗(yàn)第97 min)開(kāi)始監(jiān)測(cè)工藝間內(nèi)的鈉氣溶膠濃度，濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在旋風(fēng)主入口管下方400 mm的位置。圖4為第2組鈉燃燒過(guò)程中，工藝間內(nèi)鈉氣溶膠濃度隨鈉燃燒時(shí)間的變化，可看出，工藝間內(nèi)鈉氣溶膠濃度逐漸降低，最終接近于0。

圖4 工藝間內(nèi)鈉氣溶膠濃度隨鈉燃燒時(shí)間的變化

3)旋風(fēng)分離器壓降

圖5為兩組鈉燃燒過(guò)程中旋風(fēng)分離器壓降隨鈉燃燒時(shí)間的變化，旋風(fēng)分離器壓降隨鈉燃燒時(shí)間的變化是波動(dòng)的(最大壓降為2 720 Pa，最小壓降為2 240 Pa)，這是由于從主入口管進(jìn)入旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣量、鈉氣溶膠濃度和溫度不斷變化。

1——打開(kāi)工藝間房門進(jìn)行金屬鈉點(diǎn)火；2——點(diǎn)火完成，第1組鈉開(kāi)始燃燒；3——關(guān)閉工藝間進(jìn)氣閥門；4——打開(kāi)工藝間進(jìn)氣閥門；5——打開(kāi)工藝間房門倒入金屬鈉，第2組鈉開(kāi)始燃燒；6——關(guān)閉工藝間進(jìn)氣閥門；7——打開(kāi)工藝間房門和進(jìn)氣房門，翻鏟燃燒盤中的金屬鈉；8——試驗(yàn)結(jié)束

4)旋風(fēng)分離器出口濃度和粒徑分布

圖6為第1組鈉燃燒過(guò)程中旋風(fēng)分離器出口管(過(guò)濾器入口管)內(nèi)鈉氣溶膠濃度隨鈉燃燒時(shí)間的變化(第1組鈉剛開(kāi)始燃燒后即進(jìn)行在線監(jiān)測(cè))，隨金屬鈉的燃燒進(jìn)程，旋風(fēng)分離器出口管鈉氣溶膠濃度呈現(xiàn)先增加后降低，最終趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，且旋風(fēng)分離器出口管鈉氣溶膠濃度最大僅為12.03 mg/m3，燃燒進(jìn)行到25 min后，出口管鈉氣溶膠濃度基本在1.5 mg/m3以下。

圖6 旋風(fēng)分離器出口管內(nèi)鈉氣溶膠濃度隨鈉燃燒時(shí)間的變化

同樣，將試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)的旋風(fēng)分離器出口多組鈉氣溶膠濃度和粒度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出如圖7所示的旋風(fēng)分離器出口處粒徑分布。旋風(fēng)分離器出口鈉氣溶膠中位粒徑約為0.29 μm，且0.7 μm以上顆?；颈煌耆M。

圖7 旋風(fēng)分離器出氣管處粒徑分布

5)過(guò)濾器壓降

圖8為兩組鈉燃燒過(guò)程中過(guò)濾器壓降隨鈉燃燒時(shí)間的變化，可看出，過(guò)濾器壓降隨鈉燃燒時(shí)間的變化是波動(dòng)的。0～32 min過(guò)濾器壓降隨時(shí)間迅速增大，32～50 min壓降有所降低，50～80 min過(guò)濾器壓降緩慢增加，燃燒進(jìn)行到80 min后，過(guò)濾器壓降隨時(shí)間基本無(wú)變化。過(guò)濾器起始?jí)航禐?00 Pa左右，鈉燃燒完全后，最終過(guò)濾器壓降穩(wěn)定在1 290 Pa左右。

圖8 過(guò)濾器壓降隨鈉燃燒時(shí)間的變化

6)過(guò)濾器出氣管濃度和粒徑分布

圖9為第2組鈉燃燒過(guò)程中，過(guò)濾器出氣管處氣溶膠濃度隨鈉燃燒時(shí)間的變化，隨著金屬鈉的燃燒，過(guò)濾器出氣管的鈉氣溶膠濃度很低，基本在0.002 mg/m3以下，完全滿足工業(yè)中5 mg/m3的安全排放要求。

圖9 過(guò)濾器出氣管處鈉氣溶膠濃度隨鈉燃燒時(shí)間的變化

同樣，將試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)的過(guò)濾器出氣管處的多組鈉氣溶膠濃度和粒度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出如圖10所示的過(guò)濾器出氣管處粒徑分布?？煽闯觯^(guò)濾器出氣管處鈉氣溶膠計(jì)數(shù)中位粒徑約為0.2 μm，且粒徑0.3 μm以上的顆粒所占比例基本為0，鈉氣溶膠基本被除盡。

圖10 過(guò)濾器出氣管處的粒徑分布

7)旋風(fēng)組鈉氣溶膠去除系統(tǒng)參數(shù)變化

系統(tǒng)的總?cè)コ士捎稍囼?yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)的工藝間和過(guò)濾器出氣管處的多組鈉氣溶膠濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別取一段時(shí)間內(nèi)的平均值，可計(jì)算出樣機(jī)系統(tǒng)對(duì)鈉氣溶膠的去除效率大于99.5%。圖11為兩組鈉燃燒過(guò)程中，樣機(jī)系統(tǒng)的氣體流量隨鈉燃燒時(shí)間的變化。由于從主入口進(jìn)入旋風(fēng)分離器內(nèi)氣量、鈉氣溶膠濃度及溫度是變化的，因此樣機(jī)系統(tǒng)總進(jìn)氣量也是隨著時(shí)間不斷波動(dòng)的，樣機(jī)系統(tǒng)總進(jìn)氣量最大值為734 m3/h，最小值為705 m3/h。

圖11 樣機(jī)系統(tǒng)的氣體流量隨鈉燃燒時(shí)間的變化

圖12為兩組鈉燃燒過(guò)程中，樣機(jī)系統(tǒng)壓力隨鈉燃燒時(shí)間的變化。可看出，樣機(jī)系統(tǒng)壓力隨鈉燃燒時(shí)間的變化也是波動(dòng)的，但整體呈現(xiàn)先增加后緩慢變化的趨勢(shì)。金屬鈉燃燒過(guò)程中，樣機(jī)系統(tǒng)壓力最大值為4 755 Pa，最小值為3 800 Pa。

圖12 樣機(jī)系統(tǒng)總壓力隨鈉燃燒時(shí)間的變化

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并建立了鈉火工藝間和旋風(fēng)組鈉氣溶膠去除系統(tǒng)，通過(guò)試驗(yàn)考察了鈉火燃燒工況下樣機(jī)系統(tǒng)的分離性能和壓降等，驗(yàn)證了該氣溶膠去除系統(tǒng)在工程應(yīng)用的可行性，得到如下結(jié)論。

1)旋風(fēng)分離器與過(guò)濾器結(jié)合的鈉氣溶膠去除系統(tǒng)對(duì)真實(shí)鈉火工況下產(chǎn)生的鈉氣溶膠具有很好的去除功能，樣機(jī)系統(tǒng)總?cè)コ蚀笥?9.5%，優(yōu)于已應(yīng)用到中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆的水浴除塵系統(tǒng)90%的去除性能，具有很好的工程應(yīng)用可行性。

2)鈉氣溶膠的平均粒徑為2～20 μm，而在旋風(fēng)分離器出氣管處已基本沒(méi)有粒徑大于0.7 μm的氣溶膠顆粒，說(shuō)明樣機(jī)系統(tǒng)中的旋風(fēng)分離器對(duì)較大顆粒的鈉氣溶膠具有很好的去除功能。

3)樣機(jī)系統(tǒng)的壓降主要包括旋風(fēng)分離器壓降、過(guò)濾器壓降、管路沿程阻力損失和管路局部阻力損失。在試驗(yàn)過(guò)程中，樣機(jī)系統(tǒng)的壓力在3 800～4 755 Pa之間波動(dòng)，旋風(fēng)分離器+過(guò)濾器壓降則在3 090～4 010 Pa之間波動(dòng)，其余部分為管路系統(tǒng)阻力，約占總壓降的15%～20%，工程應(yīng)用階段風(fēng)機(jī)選型需綜合考慮風(fēng)機(jī)性能曲線和管路系統(tǒng)阻力兩方面的因素。